機(jī)械手-兩足行走機(jī)器人——頭部、臂部控制部分設(shè)計(jì),機(jī)械手,行走,機(jī)器人,頭部,臂部,控制,節(jié)制,部分,部份,設(shè)計(jì) 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 系　　　部： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 吳玉坤 學(xué) 號(hào)： 05010236 設(shè)計(jì)(論文)題目： 兩足行走機(jī)器人 —頭部、臂部控制部分設(shè)計(jì) 起 迄 日 期: 2009年 3月9 日 ~ 6月14日 設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn): 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 專業(yè)負(fù)責(zé)人: 龔光容 發(fā)任務(wù)書(shū)日期: 2009年 2月 26 日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū) 1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： 通過(guò)該課題，一方面鞏固相關(guān)專業(yè)的理論知識(shí)，學(xué)會(huì)將各門課程知識(shí)融合在一起，靈活運(yùn)用，了解各種傳感器的原理、功能及使用場(chǎng)合，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力。掌握工程設(shè)計(jì)的一般方法以及獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，最終使學(xué)生的綜合素質(zhì)得以提高。 2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 技術(shù)要求： 熟悉微機(jī)及接口實(shí)驗(yàn)板的使用方法。 了解機(jī)器人頭部、臂部控制系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方法。 總體方案的設(shè)計(jì)。 詳細(xì)方案的設(shè)計(jì)。 調(diào)試硬件電路并編制相應(yīng)的控制程序。 提交規(guī)范的設(shè)計(jì)文檔。 條件： 微機(jī)及相應(yīng)接口實(shí)驗(yàn)板和控制功能芯片。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū) 3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕： （1）開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述、資料翻譯； （2）機(jī)器人頭部、臂部控制系統(tǒng)的原理圖； （3）直流電動(dòng)機(jī)的控制軟件； （4）畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 4．主要參考文獻(xiàn)： [1] 馬香峰.機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991. [2] 王曉明．電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M]．北京航空航天大學(xué)出版社，2003. [3] 吳瑞祥.機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. [4] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [5] 王志良.競(jìng)賽機(jī)器人制作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [6] 馬香峰等.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996年9月. [7] 余達(dá)太，馬香峰. 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999年4月. [8] 劉政華等．機(jī)械電子學(xué)[M]．北京：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1999.10. [9] Ernest L. Halletl. Robotics: A User-Friendly Introduction[M]. New York: CBS College Publishing,1985. [10] Yoram Koren. Robotics for Engineers[M].McGraw-Hill Book Company, 1985. [11] 張建民．機(jī)電一體化原理與應(yīng)用[M]．國(guó)防科技大學(xué)出版社，1992. [12] 曲家騏等．伺服控制系統(tǒng)中的傳感器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.5 [13] 秦志強(qiáng)等. 基礎(chǔ)機(jī)器人制作與編程[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2007. [14] 高鐘毓．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997. [15] 陳繼榮.智能電子創(chuàng)新制作[M]. 北京：科技出版社，2007. [16] 張建民等．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1997. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū) 5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2009年 3月 9 日～ 3月15日 3月16日～ 3月22日 3月23日～ 3月29日 3月30日～ 4月5 日 4月6 日～ 4月12日 4月13日～ 5月3日 5月4 日～ 5月10日 5月11日～ 5月17 日 5月18日～ 5月24 日 5月25日～ 5月31 日 6月1 日～ 6月7 日 6月8 日～ 6月14 日 選題，發(fā)放審題表及任務(wù)書(shū)，熟悉課題 完成外文資料翻譯 完成開(kāi)題報(bào)告(包含文獻(xiàn)綜述) 查閱相關(guān)資料，熟悉直流電動(dòng)機(jī)及頭部、臂部的工作方式 總體控制方案設(shè)計(jì) 詳細(xì)方案設(shè)計(jì)，包括傳感器的選擇、控制電路設(shè)計(jì)等 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)與修改，使之完善 繪制控制系統(tǒng)電氣原理圖和流程圖 整理相關(guān)資料，撰寫并打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 初步提交設(shè)計(jì)成果（包括圖紙及論文），整改 正式提交設(shè)計(jì)成果和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 準(zhǔn)備論文答辯 所在專業(yè)審查意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人： 2009年 月 日 系部意見(jiàn)： 系部主任： 2009年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題、審題表 系　　部 機(jī)械工程系 指導(dǎo) 教師 姓 名 路建萍 劉 艷 專業(yè)技術(shù)職 務(wù) 工程師 助 教 課題名稱 兩足行走機(jī)器人——頭部、臂部控制部分設(shè)計(jì) 適用專業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化 課題性質(zhì) A B C D E 課題來(lái)源 A B C D √ √ 課題預(yù)計(jì) 工作量大小 大 適中 小 課題預(yù)計(jì) 難易程度 難 適中 易 √ √ 課題簡(jiǎn)介 本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。在機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機(jī)器人等雙足行走機(jī)器人，但成千上萬(wàn)的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類機(jī)器人造價(jià)非常昂貴。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、轉(zhuǎn)彎、搖頭、擺大臂、擺小臂。 課題應(yīng)完成的任務(wù)和對(duì)學(xué)生的要求 1、課題調(diào)研、查閱資料，撰寫開(kāi)題報(bào)告及外文翻譯； 2、總體方案論證及選擇； 3、完成機(jī)器人搖頭、擺大臂和擺小臂控制部分的設(shè)計(jì)； 4、撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 所在專業(yè)審定意見(jiàn)： 專業(yè)負(fù)責(zé)人(簽名)： 年 月 日 注：本課題由 吳玉坤 同學(xué)選定，學(xué)號(hào)： 05010236 注：1．該表由指導(dǎo)教師填寫，經(jīng)所在專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名后生效，作為該專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題使用； 2．有關(guān)內(nèi)容的填寫見(jiàn)背面的填表說(shuō)明，并在表中相應(yīng)欄內(nèi)打“√”； 3．課題一旦被學(xué)生選定，此表須放在學(xué)生“畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料袋”中存檔。  填 表 說(shuō) 明 1．該表的填寫只針對(duì)1名學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)選擇使用，如同一課題由2名及2名以上同學(xué)選擇，應(yīng)在申報(bào)課題的名稱上加以區(qū)別（加副標(biāo)題），并且在“設(shè)計(jì)（論文）要求”一欄中說(shuō)明。 2．“課題性質(zhì)”一欄： A．產(chǎn)品設(shè)計(jì)； B．工程技術(shù)研究； C．軟件開(kāi)發(fā)； D．研究論文或調(diào)研報(bào)告 E．其它。 3．“課題來(lái)源”一欄： A．自然（社會(huì)）科學(xué)基金與?。ú浚?、市級(jí)以上科研課題； B．企、事業(yè)單位委托課題； C．校、院（系）級(jí)基金課題； D．自擬課題。 4．“課題簡(jiǎn)介”一欄： 主要指該課題的背景介紹、理論意義或?qū)嵱脙r(jià)值。 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文) 作 者: 吳玉坤 學(xué) 號(hào)： 05010236 系　部: 機(jī)械工程系 專 業(yè): 機(jī)械工程及自動(dòng)化 題 目: 雙足行走機(jī)器人 —頭部、臂部控制部分設(shè)計(jì) 劉 艷 助教 路建萍 工程師 指導(dǎo)者： 評(píng)閱者： 2009 年 6 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要 這些年來(lái)，機(jī)器人的研究應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，其中仿人機(jī)器人的研究和應(yīng)用尤其受到普遍關(guān)注，并成為機(jī)器人領(lǐng)域中最活躍的研究熱點(diǎn)之一。仿人機(jī)器人研究的最終目標(biāo)是研制出具備人類特征，能夠服務(wù)于人類，并能夠與人類和諧共處的智能機(jī)器人。雙足步行是仿人機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，穩(wěn)定自然快速的行走是仿人機(jī)器人區(qū)別于其他機(jī)器人的主要標(biāo)志。 文中主要介紹了寫了頭部和臂部控制部分的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要地闡述了國(guó)內(nèi)外雙足機(jī)器人的發(fā)展，結(jié)合圖文詳述了雙足機(jī)器人的最新研究領(lǐng)域和現(xiàn)狀，并對(duì)雙足機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)作了詳細(xì)的展望。 關(guān)鍵詞 雙足步行機(jī)器人 穩(wěn)定 研究 Title Two–legged Walking Robot —head、arm control design Abstract In recent years, the research and application areas of robots keep expanding. And especially the research of humanoid robots has received widespread attention, and become one of the hot areas in robotics community. The ultimate goal for humanoid research is to develop an intelligent robot that possesses human features, perform service for human, and live in harmony with human. The biped walking is one of key techniques of humanoid robots. Steadily, naturally and quickly walking is the humanoid robot's chief mark that distinguishes them from other robots. This paper introduces, some of the head and arm control design, briefly describes the development of the biped robot, combining graphic detail the latest research, and the further development trend of biped robot is discussed detailed. Keywords Two-legged walking robot stability research 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 28 頁(yè) 共 28 頁(yè) 1 緒論 1.1 課題來(lái)源 本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。在機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機(jī)器人等雙足行走機(jī)器人，但成千上萬(wàn)的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類機(jī)器人造價(jià)非常昂貴。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、轉(zhuǎn)彎、搖頭、擺大臂、擺小臂。 1.2 課題研究的背景和意義 機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，在該劇中，機(jī)器人“Robota”這個(gè)詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一個(gè)具有人的外表、特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞動(dòng)力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類生活領(lǐng)域，研制具有人類外觀特征、可模擬人類行走和其他動(dòng)作的仿人機(jī)器人一直是人類的夢(mèng)想之一。 機(jī)器人是一門綜合性很強(qiáng)的科學(xué)，有著極其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息融合技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線性、非線性、基于多種傳感器信息控制以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)，而且還包括復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術(shù)及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術(shù)。 仿人機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，而雙足機(jī)器人是仿人機(jī)器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，它相對(duì)輪式、履帶式機(jī)器人具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，它可以進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在一般家庭的家政服務(wù)都可以應(yīng)用。它適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)，因此具有更加廣泛的應(yīng)用前景。 在機(jī)器人的研制中，機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，它涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人零件建模、仿真機(jī)器人三維實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，是一項(xiàng)綜合性有創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值的研究課題。仿真利用計(jì)算機(jī)可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?，模擬機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)方案及有效的控制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行過(guò)程中的問(wèn)題，避免了直接操作實(shí)體可能會(huì)造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并在這臺(tái)機(jī)器上模擬能都實(shí)現(xiàn)的功能，使用戶直接看到設(shè)計(jì)效果，及時(shí)找出缺點(diǎn)和不足進(jìn)行改進(jìn)，避免了大量的物力、人力的浪費(fèi)[1，2]。 1.3 國(guó)外仿人機(jī)器人的介紹 就機(jī)器人而言，美國(guó)是最早研究機(jī)器人的國(guó)家，但日本后來(lái)居上，巧妙地將半導(dǎo)體和機(jī)械技術(shù)結(jié)合，從而在機(jī)器人這一領(lǐng)域超過(guò)了美國(guó)，位居世界第一。目前，全世界的機(jī)器人80%是日本制造的。仿人機(jī)器的研制開(kāi)始于本世紀(jì)60年代末，只有三四十年的歷史。然而，仿人機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。國(guó)際上許多國(guó)家都在研究，但每個(gè)國(guó)家都有自己的特色：日本偏向于模擬人的動(dòng)作，歐洲主要應(yīng)用在醫(yī)療服務(wù)方面，美國(guó)則主要作軍事用途。 1.3.1 HODON仿人機(jī)器人 最據(jù)有影響力的仿人機(jī)器人還是HONDA的仿人機(jī)器人。1996年，當(dāng)HONDA對(duì)外界公布其歷經(jīng)10年秘密研制成功的第2代HONDA仿人機(jī)器人樣機(jī)P2(圖1.1a)（身高1820mm，體寬600mm，體重210kg，共30個(gè)自由度）時(shí)，國(guó)際機(jī)器人學(xué)界為之震驚。P2是世界上第一臺(tái)無(wú)纜的仿人機(jī)器人，它能行走和上下樓梯。P2的問(wèn)世將雙足步行機(jī)器人的研究工作推向了高潮，使本田公司在此領(lǐng)域處于世界絕對(duì)的領(lǐng)先的地位。1997年12月本田公司又推出了P3型雙足步行機(jī)器人（圖1.1b），基本上與P2型相似，只是在重量和高度上有所降低(由原來(lái)的210kg降為130kg，高度由1800mm降為1600mm)，且使用了新型的鎂材料[3]。 2000年，P2和P3的縮小版ASIMO（圖1.1c）問(wèn)世，它身高1200mm，體寬450mm，體重52kg，共26個(gè)自由度，不僅可以行走、爬樓梯，識(shí)別各種各樣的聲音，還能通過(guò)頭部的照相機(jī)捕捉到的畫面和事先設(shè)計(jì)好的程序識(shí)別人類的各種手勢(shì)運(yùn)動(dòng)以及10種不同的臉型。 仿人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)跑步是劃時(shí)代的技術(shù)。因?yàn)榕懿綍r(shí)機(jī)器人的兩腳在某一時(shí)段會(huì)同時(shí)離開(kāi)地面。目前新一代ASIMO兩腳離地時(shí)間可達(dá)0.08s，跳躍距離達(dá)50mm。為控制離地懸空狀態(tài)下的平衡，本田公司對(duì)上肢體控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良，同時(shí)身體的扭動(dòng)和腰關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制也有提高，這樣的改進(jìn)對(duì)快速跑步的控制起了很大的作用[3]。 圖1.1 HODON仿人機(jī)器人 1.3.2 HRP仿人機(jī)器人 日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（METI）從1998年開(kāi)始實(shí)施仿人機(jī)器人項(xiàng)目的研究，整個(gè)項(xiàng)目歷經(jīng)5年時(shí)間，于2002年研制出了HRP（圖1.2）系列機(jī)器人。HRP-2身高155厘米，體重54公斤，有32個(gè)自由度，具體為6×2(腿部)+6×2(手臂)+2(腰部)+2(頭部)+2×2(手指)=32。HRP-2的手臂有6個(gè)自由度(肩3,肘1,腕2),工作能力很強(qiáng)。腰部有2個(gè)自由度,使其成為第一款摔倒后能夠自己爬起來(lái)的仿人機(jī)器人。大腿固定在臀部?jī)蓚?cè)外伸的懸臂上,從而使得腿部的靈活性增加,使得兩個(gè)大腿內(nèi)側(cè)之間有比較小的碰撞，能夠?qū)崿F(xiàn)雙腿的交叉，從而實(shí)現(xiàn)走模特步的功能。如圖1.2所示。 圖1.2 HRP仿人機(jī)器人 1.3.3 索尼仿人機(jī)器人 日本索尼于2000年11月推出了仿人娛樂(lè)型機(jī)器人SDR-3X（Sony DreamRobot-3X），SDR－3X是一個(gè)小型化的仿人機(jī)器人。其規(guī)格為身高500mm，體寬220mm，體重5kg，共24個(gè)自由度。其中自由度的分布為：頭部2個(gè)，軀干部2個(gè)，手臂各4個(gè)，腿部各6個(gè)。SDR一3X的動(dòng)作有以下7種，(1)最高速度為15m/分的前進(jìn)/后退/左右橫行；(2)在前進(jìn)過(guò)程中左右轉(zhuǎn)身(異步轉(zhuǎn)90度)；(3)由伏臥/仰狀態(tài)起立；(4)單腿站立(在斜面上也可做此動(dòng)作)；(5)在凸凹不平的路面上行走；(6)踢球；(7)舞蹈。在2003年，最新型的SDR機(jī)器人：SDR-4X的增強(qiáng)版本SDR-4XII（圖1.3）問(wèn)世，它身高580mm，體寬270mm，體重7kg，共38個(gè)自由度。現(xiàn)在，它的名字改為QRIO。QRIO不僅能夠行走，還可以躺下、站起、多機(jī)器人同步舞蹈。作為一個(gè)娛樂(lè)機(jī)器人，它可以與人共同生活，給人帶來(lái)樂(lè)趣和愉悅。QRIO不久即將上市銷售。如圖1.3所示。 圖1.3 索尼仿人機(jī)器人 1.3.4 韓國(guó)仿人機(jī)器人KHR 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的吳俊浩教授于2002年1月正式投入智能機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，當(dāng)年8月研制出韓國(guó)第一個(gè)智能機(jī)器人KHR-1的機(jī)身，2003年1月研制出了能步行的KHR-1。緊接著，當(dāng)年12月研制了KHR-2 (圖1.4左)的機(jī)身，2004年8月該款機(jī)器人就可以撤線獨(dú)自行走。KHR-1身高1200mm，體重48kg，總共有21個(gè)自由度，其中下肢12個(gè)，手臂8個(gè)，腰部1個(gè)。KHR-2身高1200mm，體重54kg，總共有41個(gè)自由度，其分布狀況：頭部6個(gè)，手臂8個(gè)，手掌14個(gè)，腰部1個(gè)，下肢12個(gè)。在2004年12月22日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院又宣布成功開(kāi)發(fā)出新型智能機(jī)器人“HUBO”，該新型智能機(jī)器人身高1250mm，體重55kg，步幅超過(guò)300mm，每小時(shí)可步行1.2km，能識(shí)別和合成聲音，兩只眼睛能轉(zhuǎn)動(dòng)并具有良好的視覺(jué)功能。它的41個(gè)關(guān)節(jié)能輕柔地轉(zhuǎn)動(dòng)，5個(gè)手指能單獨(dú)活動(dòng)，能與人握手，會(huì)玩“石頭、剪刀、布”游戲，還會(huì)跳布魯斯舞。 圖1.4 KHR-2和Hubo仿人機(jī)器人 1.4 國(guó)內(nèi)仿人機(jī)器人的研究 我國(guó)已在“七五”計(jì)劃中把機(jī)器人列人國(guó)家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽(yáng)建立了全國(guó)第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開(kāi)了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來(lái)，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國(guó)自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長(zhǎng)春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。1986年3月開(kāi)始的國(guó)家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來(lái)看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。 國(guó)內(nèi)仿人機(jī)器人的研究也在863計(jì)劃和自然科學(xué)基金的支持下持續(xù)開(kāi)展了多年，如國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，都先后開(kāi)始研制仿人機(jī)器人樣機(jī)[4]。 1.4.1 “先行者”仿人機(jī)器人 在我國(guó)，國(guó)防科技大學(xué)是最早研制出仿人機(jī)器人的高校。國(guó)防科技大學(xué)于1988年2月研制成功6關(guān)節(jié)平面運(yùn)動(dòng)雙足步行機(jī)器人,于1990年又先后研制成功了10關(guān)節(jié)、12關(guān)節(jié)的空間運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了人類所具備的基本行走功能。 2000年11月30日，“先行者”仿人機(jī)器人在國(guó)防科技大學(xué)研制成功。“先行者”身高140厘米，體重20公斤，具有仿人的下肢和簡(jiǎn)化的上肢，總共15個(gè)自由度；可以實(shí)現(xiàn)原地扭動(dòng)、平地前進(jìn)、后退、左右側(cè)行、左右轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作；手臂可以前后擺動(dòng)，頭部可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)，眼睛可以演示各種眨眼動(dòng)作，并具有一定的語(yǔ)言表達(dá)能力；行走頻率每秒2步，動(dòng)態(tài)步行快速自如，并可在小偏差、不確定環(huán)境中行走。在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制方法等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一系列的突破。但“先行者”只能算是仿人機(jī)器人的雛形，在動(dòng)作上尤其是上肢體動(dòng)作方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到類似人類的要求。如圖1.5所示。 圖1.5 “先行者”仿人機(jī)器人 1.4.2 BHR-01仿人機(jī)器人 目前比較新的成果是2002年12月北京理工大學(xué)研制成功的我國(guó)首個(gè)真正意義上的仿人機(jī)器人BHR-01，中文名叫“匯童”。 BHR-01身高158厘米,體重76公斤,有33個(gè)自由度,具體為6×2(腿部)+7×2(手臂)+0(腰部)+3(頭部)+2×2(手指)=33。BHR-01能夠模仿人類進(jìn)行前進(jìn)，后退，側(cè)行，轉(zhuǎn)彎，上下臺(tái)階，太極拳，刀術(shù)等動(dòng)作。并且具有視覺(jué)、語(yǔ)音對(duì)話、力覺(jué)、平衡覺(jué)等功能；每小時(shí)能夠行走1公里,步幅33厘米；此外還會(huì)騰空行走,并能根據(jù)自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化實(shí)現(xiàn)未知路面的穩(wěn)定行走。打太極拳、舞刀是BHR-01的特色，此仿人機(jī)器人的成功研制標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)掌握了集機(jī)構(gòu)、控制、傳感器、電源于一體的高度集成技術(shù)。如圖1.6所示。 圖1.6 BHR仿人機(jī)器人 1.5 本課題研究?jī)?nèi)容 本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是兩足行走機(jī)器人的頭部、臂部控制系統(tǒng)部分，完成機(jī)器人搖頭、擺大臂和擺小臂控制部分的設(shè)計(jì)。 (1) 設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人的硬件電路。 (2) 選擇設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人的控制軟件系統(tǒng)。 (3) 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，提出本設(shè)計(jì)的不足，指出需要改進(jìn)的地方。 2 兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件 2.1 直流伺服電機(jī)的控制特性 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以說(shuō)是機(jī)器人的核心，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選取直接影響到機(jī)器人的性能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)類型一般包括液壓、氣動(dòng)、電子方式。液壓和氣動(dòng)的缺點(diǎn)是能量供應(yīng)問(wèn)題，機(jī)器人不可能隨身攜帶，并且有較大的震動(dòng)。因此，對(duì)于雙足機(jī)器人，只考慮采用攜帶能源方便、震動(dòng)小的電子驅(qū)動(dòng)裝置—電機(jī)[5]。 直流伺服電機(jī)又稱為舵機(jī)，本設(shè)計(jì)選用的舵機(jī)為“輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機(jī)。它不僅尺寸小，而且不需要另配減速器，具有控制簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人的要求。舵機(jī)是一種帶有位置反饋的伺服電機(jī)，主要由外殼、電路板、無(wú)核心馬達(dá)、齒輪組與位置檢測(cè)器等組成。通過(guò)輸入占空比不同的脈沖信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)的輸出軸的位置。其原理可由圖2.1所示。 圖2.1 舵機(jī)工作原理 2.2 機(jī)器人控制器系統(tǒng) 由于雙足機(jī)器人使用17個(gè)舵機(jī)，若為每一個(gè)舵機(jī)均使用1 個(gè)單片機(jī)控制，顯然不是一種經(jīng)濟(jì)的策略，也為整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)了不必要的負(fù)擔(dān)。為了滿足多舵機(jī)的控制要求，根據(jù)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性，采用獨(dú)立單片機(jī)控制多個(gè)舵機(jī)的方法。 從控制角度來(lái)看，雙足機(jī)器人自由度多，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，是一個(gè)多輸入、多輸出、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。雙足機(jī)器人的穩(wěn)定行走，需要各個(gè)關(guān)節(jié)之間能夠協(xié)調(diào)有序的運(yùn)動(dòng)，所以控制系統(tǒng)發(fā)出的各個(gè)關(guān)節(jié)的控制指令不僅要準(zhǔn)確，而且要滿足一定的時(shí)序要求。 32路伺服電機(jī)控制器是一套最具性價(jià)比的伺服電機(jī)控制器?？梢钥刂贫噙_(dá)32個(gè)伺服電機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，它不但能實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制，還具有時(shí)間延時(shí)斷點(diǎn)發(fā)送指令功能[6～9]。其主要由上位機(jī)軟件和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器組成。通過(guò)PC機(jī)操作上位機(jī)軟件給控制器傳遞控制指令信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)多路伺服電機(jī)單獨(dú)控制或同時(shí)控制，控制指令精簡(jiǎn)，控制轉(zhuǎn)角精度高，波特率可以實(shí)時(shí)更改，體積小，重量輕，其可作為類人型機(jī)器人、仿生機(jī)器人、多自由度機(jī)械手的主控制器。圖2.2為控制器的實(shí)物圖，控制系統(tǒng)主板如圖2.3所示。 圖2.2 運(yùn)動(dòng)控制器 圖2.3 控制系統(tǒng)框圖 上位機(jī)是個(gè)人電腦，它與控制器通過(guò)串口通訊，電腦把規(guī)劃好的步態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送到控制器，控制器再根據(jù)相應(yīng)的算法，為每個(gè)I/O口發(fā)送相應(yīng)的舵機(jī)控制指令，即PWM波。 2.3 伺服電機(jī)控制板接口功能 圖2.4 控制電路板各部分標(biāo)識(shí) 2.3.1 DC5V直流電源接口① 此接口用于接插控制器控制部分供電電源。 2.3.2 控制部分電源端子接口② 此接口用于接插控制器控制部分供電電源，為增大用戶選擇電源電壓范圍，特設(shè)此接口。 2.3.3 伺服電機(jī)供電電源端子接口③ 此接口用于接插伺服電機(jī)供電電源（由于伺服電機(jī)在重負(fù)載的情況下，會(huì)將放大器電壓拉低，為防止影響控制器部分電壓突變，應(yīng)該將兩部分分別供電），工作電壓：＋4V～＋6V（普通伺服電機(jī)），注意：由于不同型號(hào)的伺服電機(jī)的耗電不同，而且運(yùn)行在帶負(fù)載時(shí)，耗電也不同，所以請(qǐng)以實(shí)際使用為準(zhǔn)。 2.3.4 外擴(kuò)上位機(jī)系統(tǒng)供電接口④ 此接口供電來(lái)源控制部分端子接口電源，可為自主開(kāi)發(fā)的上位機(jī)（51系列、AVR系列、DSP、ARM等）板供電。 2.3.5 RS232串口通訊接頭⑤ 此端口使用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口電平進(jìn)行通訊，可以接插為用戶提供的串口通訊線和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，接收實(shí)時(shí)控制指令。 2.3.6 TTL通訊接口⑥ 若使用此功能請(qǐng)將跳線帽取下，此接口可用于伺服電機(jī)控制器與其他單片機(jī)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)或BS2(Basic Stamp 2)通訊。注意接口標(biāo)識(shí)符，TX、RX左側(cè)排針?lè)謩e聯(lián)接伺服電機(jī)控制板微控器TXD、RXD引腳[10]。 2.3.7 波特率設(shè)置撥碼開(kāi)關(guān)⑦ 通過(guò)設(shè)置撥碼開(kāi)關(guān)，波特率可以在2400 960038.4k 115.2k四種數(shù)值中轉(zhuǎn)換。注意：1代表ON，0代表OFF。 2.3.8 伺服電機(jī)通道接口⑧和標(biāo)識(shí)符⑨ 此接口可接插國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口的伺服電機(jī)，包括模擬式和數(shù)字式兩種。接口側(cè)方有1～32通道的標(biāo)注符，表示伺服電機(jī)受哪一通道信號(hào)控制[11]。每一行可以接插一個(gè)伺服電機(jī)。整行接口上面有S/ + /-的標(biāo)注，其中“-”表示接插伺服電機(jī)的地線（一般為黑色）； “＋”表示接插伺服電機(jī)的電源線（一般為紅色）； “S”表示signal（信號(hào)）接插伺服電機(jī)的控制信號(hào)線（一般為黃色或白色）。支持的伺服電機(jī)： Futabaor Hitec 以及國(guó)產(chǎn)品牌（如輝盛）等。 3 硬件設(shè)計(jì)總體方案 3.1 核心電路 核心電路包括AVR核心處理器、JTAG調(diào)試接口、串口驅(qū)動(dòng)電路和A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓電路，原理如圖3.1所示。 圖3.1 核心電路原理圖 3.2 PWM信號(hào)控制原理 控制系統(tǒng)需要控制17個(gè)直流伺服電機(jī)，使兩足步行機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作?？刂浦绷魉欧姍C(jī)的PWM信號(hào)的周期為20ms，高電平持續(xù)時(shí)間為0. 5ms至2. 5ms，占空比較小，最大僅為1/8，所以可以進(jìn)行多路分時(shí)復(fù)用[12～15]。本文使用了4個(gè)三態(tài)鎖存器74HC595D 對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行4路分時(shí)復(fù)用，一共可以得到32路獨(dú)立的單邊沿PWM信號(hào)，這樣可以滿足控制系統(tǒng)的要求。使用高性能電池供電，增加了機(jī)器人的靈活性.其舵機(jī)PWM信號(hào)控制電路原理如圖3.2所示。 圖3.2 PWM信號(hào)控制原理圖 3.3 電源設(shè)計(jì) 直流伺服電機(jī)的電源要求為9V至12V，本文選用了電壓為9V的高性能電池，直接作為直流伺服電機(jī)的電源[16]。由于基于AVR的處理器和外設(shè)均使用3.3V電源電壓，所以需要選用電源電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。我們使用了一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換芯片L78M05將電池的直流電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流。 4 兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) Servo Control Software是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制器通訊協(xié)議PC機(jī)上的專用WINDOWS控制軟件，本軟件操作控制簡(jiǎn)便，易學(xué)易用。其軟件的操作界面如圖4.1所示。 圖4.1 Servo Control Software操作界面 4.1 串口設(shè)置 首先我們要做好前提工作，把舵機(jī)接線按照要求插在控制板上，再把串口接線插到電腦上，開(kāi)通電源，打開(kāi)操作軟件，點(diǎn)擊軟件操作界面里的串口設(shè)置，選擇合適的波特率，然后點(diǎn)確定，其操作方法如圖4.2、圖4.3、圖4.4所示。 圖4.2 串口設(shè)置第一步 圖4.3 串口設(shè)置第二步 圖4.4 串口設(shè)置第三步 4.2 控制通道設(shè)置 控制通道序號(hào)與控制板上的序號(hào)一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要可選擇多路調(diào)控，伺服電機(jī)接線一定要與控制軟件通道對(duì)應(yīng)，避免出現(xiàn)控制無(wú)效現(xiàn)象。控制通道，如圖4.5所示。將硬件設(shè)備接好，如圖4.6所示。 圖4.5 控制通道 圖4.6 控制板接線示意圖 單擊鼠標(biāo)左鍵軟件與硬件連接,如圖4.7所示。 圖4.7 串口連接設(shè)置圖 4.3 操作設(shè)置 在控制軟件的操作設(shè)置區(qū)域有“添加指令”、“指令修改”、“刪除指令”、“運(yùn)行指令”等按鈕，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，如圖4.8所示。 圖4.8 操作設(shè)置區(qū)域 4.3.1 添加指令① 單擊可以將調(diào)試好的指令保存。 4.3.2 指令修改② 對(duì)不合適的指令進(jìn)行修改。 4.3.3 刪除指令③ 刪除不合適的指令。 4.3.4 運(yùn)行指令④ 運(yùn)行調(diào)試指令。 4.3.5 電機(jī)復(fù)位⑤ 將全部伺服電機(jī)復(fù)位。 4.3.6 退出⑥ 退出控制。 4.4 控制指令回顯區(qū) 調(diào)整好合適指令點(diǎn)擊添加后，將會(huì)出現(xiàn)在回顯區(qū)中。如圖4.9所示。 圖4.9 指令回顯區(qū) 4.5 發(fā)送指令時(shí)間設(shè)置 拉動(dòng)指令間隔時(shí)間滑桿可以調(diào)節(jié)發(fā)送指令間隔時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)各舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作,來(lái)完成復(fù)雜的動(dòng)作,如圖4.10所示。 圖4.10 發(fā)送指令間隔時(shí)間控制區(qū) 5 兩足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式的建立 雙足步行機(jī)器人是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),是一門與仿生學(xué)、多剛體動(dòng)力學(xué)、多傳感器融合技術(shù)以及控制工程等多學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科,是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支[17～19]。雙足行走方式具有高度的靈活性,特別適合于日常環(huán)境與人類協(xié)作完成各種任務(wù),在康復(fù)、日常服務(wù)、危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。另一方面,由于雙足機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動(dòng)器和多傳感器的特點(diǎn),而且一般都具有冗余的自由度,這些特點(diǎn)對(duì)其控制問(wèn)題帶來(lái)了很大的難度,為各種控制和優(yōu)化方法提供了理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),使其吸引了許多學(xué)者的目光,成為一個(gè)矚目的研究方向[20～22]。 本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它具有17個(gè)自由度，驅(qū)動(dòng)器為微型直流伺服電機(jī)。該機(jī)械結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，每個(gè)手臂具有3個(gè)自由度，分別為肩2個(gè)、肘1個(gè)；頸部有一個(gè)自由度。其每個(gè)舵機(jī)位置的標(biāo)注如圖5.1所示。 圖5.1 腿部舵機(jī)的分布 5.1 靜態(tài)雙臂擺動(dòng)模式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)動(dòng)之前必須有一個(gè)零位，即開(kāi)始位置，為了制定機(jī)器人的零位，我們?yōu)闄C(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，機(jī)器人一上電，我們讓每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)至限位開(kāi)關(guān)處，以此位置作為零位參考點(diǎn)，第一次進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到機(jī)器人的零位，把該位置信息記錄到驅(qū)動(dòng)器中，以后就可以在各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)至限位開(kāi)關(guān)處時(shí)，直接給出該位置，讓機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)至零位。 每個(gè)手臂具有3個(gè)自由度，分別為肩2個(gè)、肘1個(gè)。所以雙臂可以完成諸多復(fù)雜的動(dòng)作,諸如:直臂、臂前后擺、直臂展開(kāi)、彎肘等等。如圖5.2右臂前擺。 圖5.2 右臂前擺30度 5.2 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn) 根據(jù)雙臂的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)模式，我們可以算出每個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的度數(shù)，再反饋到舵機(jī)控制軟件Servo Control Software中。點(diǎn)擊“添加指令”按鈕，其控制回顯區(qū)出現(xiàn)指令如下： 直臂 T1000 #10P1500#11P1500#12P1500#13P1500#14P1500#15P1500 右臂前擺30度左臂前擺30度 T1000 #10P1500#11P1500#12P1167#13P1167#14P1500#15P1500#16P1500 兩臂展開(kāi)90度 T1000 #10P1500#11P500#12P1500#13P1500#14P2500#15P1500#16P1500 右肘內(nèi)彎90度 T1000 #10P2500#11P1500#12P500#13P1500#14P1500#15P1500#16P1500 頭右轉(zhuǎn)90度 T1000 #16P2500頭左轉(zhuǎn)T1000#16P500 結(jié)束語(yǔ) 機(jī)器人有三個(gè)方面是我們必要去發(fā)展的理由:一個(gè)是機(jī)器人干人不愿意干的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險(xiǎn)的，這樣的環(huán)境中解放出來(lái)，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的活，比方說(shuō)在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗,一天焊幾千個(gè)點(diǎn)，就重復(fù)性的勞動(dòng)，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)理由，比方說(shuō)人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)，人上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對(duì)原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。 兩足步行機(jī)器人是個(gè)廣泛應(yīng)用在教學(xué)、科研、比賽和娛樂(lè)等方面的機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、控制科學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等于一體。本文根據(jù)當(dāng)前兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的處理器和操作系統(tǒng)各自的特點(diǎn)，選用高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。并對(duì)兩足步行機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和靜態(tài)步行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人在平面上的穩(wěn)定行走。 在前期工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)了雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了步態(tài)規(guī)劃，并通過(guò)建立虛擬樣機(jī)對(duì)雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制算法、步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，我們所采用的方案是可行的。在方案可行的情況下，我們開(kāi)始了物理樣機(jī)的研制。在機(jī)構(gòu)加工、裝配基本完成，控制和功率放大電路正常工作的基礎(chǔ)上，我們開(kāi)始對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試。為了保證調(diào)試的順利進(jìn)行，我們按如下順序進(jìn)行:首先進(jìn)行單關(guān)節(jié)調(diào)試，這一步無(wú)任何問(wèn)題后再進(jìn)行關(guān)節(jié)的組合調(diào)試。 在前期的裝配工作中已經(jīng)進(jìn)行過(guò)單關(guān)節(jié)調(diào)試，裝配是按關(guān)節(jié)進(jìn)行的，從踝關(guān)節(jié)裝，從下到上最后是髖關(guān)節(jié)，調(diào)試的目的有兩個(gè)： （1）測(cè)試各關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)(包括電機(jī)、減速器)是否工作正常 （2）標(biāo)識(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向 這樣邊裝配邊檢測(cè)可以保證裝配的順利進(jìn)行，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可以及時(shí)改正。在裝配完成之后還要進(jìn)行單關(guān)節(jié)的調(diào)試，目的有兩個(gè)： （1）測(cè)量各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍； （2）零位的制定。 在單關(guān)節(jié)調(diào)試完成之后，進(jìn)行多關(guān)節(jié)聯(lián)合調(diào)試。之所以對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，是基于以下幾點(diǎn)考慮的: （1）單個(gè)關(guān)節(jié)雖然已經(jīng)調(diào)試通過(guò)，但多關(guān)節(jié)之間能否有效地配合起來(lái)尚不清楚； （2）供電部分在能夠有效的支持單電機(jī)工作的情況下，能否同樣支持多電機(jī)同時(shí)工作； （3）檢測(cè)各個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)合調(diào)試的實(shí)時(shí)性； （4）無(wú)論從編程實(shí)現(xiàn)，還是控制方案實(shí)施來(lái)看，多關(guān)節(jié)聯(lián)合調(diào)試跟單關(guān)節(jié)調(diào)試有本質(zhì)的不同，可以發(fā)現(xiàn)一些隱藏的問(wèn)題，及時(shí)加以解決，便于下一步實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，同時(shí)可以給調(diào)試人員積累一些調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步調(diào)試打下基礎(chǔ)。 該課題在以后還有很多要進(jìn)一步改進(jìn)和研究的地方： (1) 機(jī)器人使用更為先進(jìn)的處理器，如ARM系列處理器和PC104, PowerPC等單板計(jì)算機(jī)； (2) 本次用的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)力不是很大，勉強(qiáng)滿足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)要求； (3) 對(duì)雙足機(jī)器人的行走的穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)不是很足，沒(méi)能使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自然、快速穩(wěn)定的行走； (4) 規(guī)劃時(shí)使用的理想模型與實(shí)際的物理本體有一定的差距，不能精確反映實(shí)際的情況； (5) 控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)與舵機(jī)執(zhí)行的結(jié)果存在誤差，不能完全復(fù)現(xiàn)規(guī)劃的結(jié)果。 致 謝 本課題是在劉 艷導(dǎo)師的悉心關(guān)懷和指導(dǎo)下完成的。劉老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度、淵博的專業(yè)知識(shí)給我留下了深刻的印象。在三個(gè)多月的學(xué)習(xí)和生活中，老師在學(xué)習(xí)、科研都給予了我耐心的指導(dǎo)和無(wú)微不至的關(guān)懷，并提出了許多寶貴的意見(jiàn)。從劉老師那里，我不但學(xué)到了科研的方法，還學(xué)到了很多為人處世的道理。這些都將成為我今后學(xué)習(xí)與工作中的寶貴財(cái)富。在此，我要向辛勤培養(yǎng)我的劉老師表示深深的謝意！ 在課題研究的整個(gè)階段，張少文老師給了我不少的指導(dǎo)和建議，在此向他們表示衷心的感謝！ 同時(shí)還要感謝雙足機(jī)器人研究小組的其他成員：許峰、黃俊、徐昕晏、徐超。他們給予了我很大的幫助和支持。 當(dāng)然也要感謝我的同學(xué)和朋友們，感謝他們一直以來(lái)對(duì)我的關(guān)心和支持！ 最后感謝父母親人們?cè)谏钌蠈?duì)我的關(guān)心和照顧，我的人生道路上的每個(gè)成就都永遠(yuǎn)有他們的功勞。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 石宗英，徐文立，馮元餛等. 仿人型機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行控制方法[J]. 機(jī)器人, 2001. [2] 胡洪志. 仿人步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究[D]. 國(guó)防科技大學(xué)研究生院學(xué)位論文, 2002. [3] 王勇. 基于被動(dòng)動(dòng)力式的兩足機(jī)器人研究現(xiàn)狀[J]. 機(jī)械工程師，2005. [4] 付成龍，陳懇. 雙足機(jī)器人穩(wěn)定性與控制策略研究進(jìn)展[J]. 高技術(shù)通訊, 2006. [5] 江海波. 深入淺出AVR單片機(jī)[M]. 北京:中國(guó)電力出版社，2008. [6] 徐亮，徐中偉. u C/OS-II實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度優(yōu)化[J]. 計(jì)算機(jī)工程，Oct 200733 (19):57-59. [7] 吳平. u C /OS-II中任務(wù)調(diào)度算法的改進(jìn)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, Mar 2006(3):23-25. [8] 吳偉國(guó), 李小寧, 王瑜. 類人機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)平衡作用研究與仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，May 2005,(5):112-114. [9] 黃燕平. u C/OS-II ARM移植要點(diǎn)詳解[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，Nov2005. [10] 劉森，慕春棣，趙明國(guó). 基于ARM嵌入式系統(tǒng)的擬人機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)[J]. 北京:清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,48(4):482-485. [11] 施華, 陳一民，李超. 基于RT-Linux的實(shí)時(shí)機(jī)器人控制器研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2002,24(6):91-95. [12] 徐青，申忠宇, 趙瑾等. 基于ARM的兩足步行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)(增刊)，Aug 2007,28(8):499-501. [13] 姜培玉. 兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行研究[D]. 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，Mar2004. [14] 張福學(xué). 機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社， 2000. [15] 包志軍，馬培蓀. 兩足機(jī)器人到仿人型機(jī)器人的研究歷史及其問(wèn)題[J].機(jī)器人, 1999(4):312-319. [16] 龜田秀司. 仿人機(jī)器人[M]. 管貽生譯. 北京:清華大學(xué)出版社, 2007. [17] 徐凱. 仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃算法及其實(shí)現(xiàn)研究[D]. 北京:清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文, 2006. [18] 胡凌云，孫增沂. 雙足機(jī)器人步態(tài)控制研究方法綜述[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2005. [19] 包志軍，馬培蓀. 兩足機(jī)器人到仿人型機(jī)器人的研究歷史及其問(wèn)題[J].機(jī)器人, 1999(4):312-319. [20] 龜田秀司. 仿人機(jī)器人[M]. 管貽生譯. 北京:清華大學(xué)出版社, 2007. [21] 徐凱. 仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃算法及其實(shí)現(xiàn)研究[D]. 北京:清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文, 2006. [22] 胡凌云，孫增沂. 雙足機(jī)器人步態(tài)控制研究方法綜述[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2005.